摘要:CAN 与 485 都是工业通信中常用的现场总线,各位工程师对于总线隔离方案想必都极为熟悉,但可能会遇到总线采用了隔离方案依旧通讯异常的情况,本文将带您一起探讨总线隔离后该如何接地?

 

一、前言

为保证总线网络的通讯稳定性,通讯接口通常会做隔离,隔离的主要目的:

 

安规考虑:保护设备及人身安全,隔开潜在的高压危险;

 

提高通信的稳定性:消除地电势差的影响;

 

提高器件的可靠性:消除地环路影响;

 

低耦合:提高系统间的兼容性;

 

目前实现总线隔离有两种方案:采用分立元器件搭建或采用集成模块。

 

二、隔离接地的原理

总线增加隔离固然可以保证总线稳定可靠地通信,但是带隔离通信接口的设备,在复杂的环境或安装状态下,接口会表现出完全不同的 ESD 特性,了解 ESD 对接口的影响机理,才能有针对性地增加保护器件,提升隔离接口的 ESD 能力。下面以带有隔离 CAN 或 RS-485 通信接口为例,对常见的设备状态下,ESD 的作用机理进行分析,并提出相应的改善措施。

 

1. 总线侧悬空

此状态下,设备控制侧有接入保护地(PE),总线侧参考地悬空,与 PE 无任何连接,如下图。

 

 

接下来进行分析:

假设控制侧均做了足够的保护措施,当控制侧接口受到静电放电时,能量通过控制侧保护器泄放至 PE,对隔离通信接口基本无影响,如下面左图。

 

当总线接口受到静电放电时,由于总线侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容 Ciso 进行泄放,由于 Ciso 非常小,仅有几皮法至十几皮法,Ciso 被迅速充电,两端电压 Viso 会非常高,几乎等同于放电电压,电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅,若电压超出了隔离栅的电压承受范围,则会导致内部隔离栅损坏,如下面右图。注意:对于一般的隔离接口模块,隔离栅可承受的静电放电电压只有 4kV,对于更高等级的 6kV 或 8kV 的静电来说是非常脆弱的,极易出现损坏情况。

 

 

 

2. 设备控制测悬空

此状态下,设备控制侧参考地悬空,与 PE 无任何连接,总线侧有接入保护地(PE),如下图。

 

 

接下来进行分析:

当总线侧接口受到静电放电时,静电能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放至 PE,但若 ESD 能量超出了接口模块内部总线侧器件的 ESD 抗扰能力,总线接口则可能损坏,如下面左图。

 

当控制侧接口受到静电放电时,由于控制侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容 Ciso 进行泄放,由于 Ciso 非常小,两端电压 Viso 会非常高,电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅,若电压超出了隔离栅的电压承受范围,则会导致内部隔离栅损坏,如下面右图。

 

 

 

3. 改善措施

针对上述两种情况,隔离接口模块需要得到有效的静电保护,建议进行隔离接口设计时,增加 Cp、Rp 以及 TVS,提高隔离接口的 ESD 抗扰能力。

 

电容 Cp 的作用:减轻隔离栅的压力,为静电能量提供一个低阻抗的路径,静电能量大部分通过此电容泄放,为达到良好效果,Cp 容值应远大于 Ciso,建议取 100pF~1000pF 之间。

 

TVS 管的作用:对于总线侧的静电,静电能量会通过防护器件泄放,注意:其导通电压必须小于隔离接口可承受的最大电压,同时大于信号电压;在通信速率高、或节点数较多时,也需要注意尽量选取等效电容小的器件,以免影响总线正常通信。

 

 

注意:若产品无安规要求,可与 Cp 并联一个大阻值泄放电阻,如 1M,以防静电积累;若有安规要求,一般需要去除泄放电阻,同时选择安规电容。

 

三、完善的总线接口保护电路

前面只是对 ESD 的作用机理进行了分析,但随着工业产品对通信接口的 EMC 等级要求越来越高。许多应用要求满足 IEC61000-4-2 静电放电 4 级,IEC61000-4-5 浪涌抗扰 4 级要求。一般的收发器 ESD、浪涌的防护等级均比较低,如 CTM1051M 隔离 CAN 收发器的隔离耐压为 2500VDC,裸机情况下,ESD、浪涌等级均较低。所以有必要增加外围电路,提高通信端口的 EMC 等级。

 

 

以 CAN 总线为例,上图为完善的外围推荐电路。其中 GDT 置于最前端,提供一级防护,当雷击、浪涌产生时,GDT 瞬间达到低阻状态,为瞬时大电流提供泄放通道,将 CAN_H、CAN_L 间电压钳制在二十几伏范围内。实际取值可根据防护等级及器件成本综合考虑进行调整,R3 与 R4 建议选用 PTC,D1~D6 建议选用快恢复二极管,参数表如下。

表 1  推荐参数表

 

 

另外,另一种方案则是采用 ZLG 的 SP00S12 浪涌保护模块,可用于各种信号传输系统,抑制雷击、浪涌、过压等有害信号,对设备信号端口进行保护。搭配 ZLG 的全隔离 CTM 或 SC 系列的隔离 CAN 收发器,如下图。可极大程度的提升产品的集成度,于此同时极大程度的缩小开发周期。

 

 

四、阻容回路接地的必要性

前面讲述了总线隔离之后接地的原理以及推荐电路,想必大家已经很清楚了,在现场,很多客户会提到总线隔离之后为什么需要阻容接地呢?这里给大家简单描述一下:

 

电容:从 EMS(电磁抗扰度)角度说,这个电容是在假设 PE 良好连接大地的前提下,降低可能存在的影响(以大地电平为参考的高频干扰信号对电路的影响),是为了抑制电路和干扰源之间瞬态共模压差的。其实 GND 直连 PE 是最好的,但是,直连可能不可操作或者不安全。从 EMI(电磁干扰)角度说,如果有与 PE 相连的金属外壳,有这个高频路径,也能够避免高频信号辐射出来。

 

1M 电阻:这是对付 ESD(静电放电)测试用的。因为这种用电容连接 PE 和 GND 的系统(浮地系统),在做 ESD 测试的时候,打入被测电路的电荷无处释放,会逐渐累积,抬升或降低 GND 相对 PE 的电平,累积到一定程度,超过了 PE 和电路之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压范围,GND 和 PE 之间就会放电,几个纳秒间,在 PCB 上的产生数十到数百安培的电流,这足以让任何电路因 EMP(电磁脉冲)宕机,或者是让 PE 与电路之间绝缘最薄弱处所在信号连接的器件损坏。但是有时候又不能直接连接 PE 和 GND,那么就用一个 1~2M 的电阻去慢慢释放这个电荷,以消除二者间的压差。当然 1~2M 这个数值是根据 ESD 测试标准选择的,因为 IEC61000 里面规定最高的重复次数只有 10 次 / 秒,如果你搞个 1000 次 / 秒的非标 ESD 放电,那么 1~2M 的电阻我觉得是不能释放掉累积的电荷的。

 

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